Оптимизация размеров точечных соединений при электроконтактной сварке алюминиевых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Перемещаясь внутри первой вертикальной части 5, рабочая жидкость вращает крыльчатку 2. Вращающий момент посредством вала 3 передается насосу 9, который осуществляет подъем воды из скважины и подачу ее в расширительный бак 11 по трубопроводу 10. Поскольку насос 9 имеет объемную конструкцию с вращательным движением рабочего органа, подъем воды будет осуществляться практически при любых частотах вращения вала 3.

Интенсивность работы насоса 9 зависит от частоты вращения вала 3, которая, в свою очередь, зависит от частоты вращения крыльчатки 2. Частота вращения крыльчатки 2 определяется разностью температур рабочей жидкости в горизонтальной части 4 и в первой вертикальной части 5 замкнутого трубопровода 1. При заполнении расширительного бака 11 поплавковый датчик 14 перекрывает клапан 13, обеспечивающий защиту от перелива теплоносителя.

Список литературы

1. Андреев С. А., Судник Ю.А., Шибаров Д.В. Устройство для подъема воды. Патент на полезную модель РФ № 143227, Заявка № 2013152074 от 25.11.2013, опубл. 20.07.2014, бюлл.№ 20.

УДК 621.791.052

ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗМЕРОВ ТОЧЕЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Андреева Л.П., к.т.н., доцент Овчинников В.В., д.т.н., профессор Сидоров А.А., магистр Московский государственный машиностроительный университет

«МАМИ»

В статье рассмотрено влияние величины диаметра литого ядра сварного соединения сплава 1565ч, выполненного контактной точечной сваркой, на прочность соединения при статическом и циклическом растяжении. Благодаря уменьшению диаметра ядра для контактных сварочных машин можно увеличить максимальную толщину свариваемых деталей примерно на 1 мм. Для повышения статической и циклической прочности сварных точечных соединений целесообразно применение клеев и паст, заполняющих нахлестку соединяемых деталей, а также конструкцию соединений с повышенной жесткостью в зоне расположения сварных точек.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, контактная сварка, диаметр ядра, величина нахлестки, статическое растяжение, испытания на срез точек, циклическое нагружение, клеесварные соединения.

Введение

Контактная точечная сварка - сложный процесс образования неразъемных соединений, формирование которых происходит при определенных

условиях нагрева и давления. Контактная точечная сварка широко применяется при изготовлении самолетов, вертолетов, судов, железнодорожных вагонов, как в нашей стране, так и за рубежом. На больших транспортных самолетах имеется до 1,5 миллионов сварных точечных соединений.

Качество сварных точечных соединений алюминиевых сплавов определяется совокупностью эксплуатационных и технологических характеристик соединения, обусловливающих его пригодность удовлетворять потребности поставщика и потребителя в процессе производства и эксплуатации изделия.

Дня повышения качества сварных точечных соединений в первую очередь необходимо вы брать оптимальные, обоснованные размеры конструктивных элементов соединений.

К конструктивным элементам точечного соединения относятся: диаметр литого ядра dя, высота ядра кя, ширина нахлестки а и шаг (расстояние) между точками ? (рис. 1). Эти параметры взаимосвязаны между собой и неравнозначно влияют на характеристики качества [1-7].

Указанные конструктивные элементы можно разделить на факторы I группы, которые являются независимыми и ^я), и факторы II группы -производные от первых (ширина нахлестки а, которая является функцией от dя и Ня, и шаг I, зависящий от dя и требуемой прочности соединения). Если учесть, что для каждого значения dя существует оптимальный режим сварки, то можно считать, что Ня является производной от dя и режима сварки.

Таким образом, можно сделать вывод, что диаметр литого ядра соединения является основным (среди конструктивных) фактором, определяющим качество соединений.

Рис. 1. Геометрические размеры сварных соединений, выполненных точечной контактной сваркой

Диаметр ядра обычно связывают с толщиной свариваемых деталей 5*. При этом регламентируется, как правило, минимально допустимый dя min, величина которого используется при прочностных расчетах.

Анализ существующих систем выбора dя min показал, что при заданной толщине деталей dя min колеблется в достаточно широких пределах, что свидетельствует об отсутствии единой системы. Поэтому в настоящей работе было предложено в качестве оптимального считать такой dя min который обеспечивает соединения с максимальным среди всех возможных вариантов показателем качества. Для определения оптимальных значений dя min в данной работе изучалось его влияние на характеристики сварных соединений листов сплава 1565чН.

Для соединений, применяемых в конструкциях ответственного назначения, в качестве основной характеристики статической прочности применяется гарантированная минимально допустимая разрушающая нагрузка Р°.

Материалы и методы исследований

В качестве материала для изготовления образцов сварных точечных соединений использовались листы сплава 1565чН и 1565чМ толщиной 2 мм системы Al-Mg-Zn. Механические свойства основного материала приведены в табл. 1.

Перед сваркой образцы подвергали химическому травлению с последующей зачисткой зоны нахлестки.

Контактную сварку выполняли на модернизированной машине для контактной точечной сварки марки МТН-75, оснащенной компьютерной системой управления с регистрацией параметров режима сварки и замкнутой системой охлаждения [8].

Таблица 1. Механические свойства листов сплава 1565ч

Сплав, состояние Механические свойства

Предел прочности оВ, МПа Предел текучести g02, МПа Относительное удлинение 5, %

1565чМ 275 145 15

1565чН 370 270 10

Одноточечные сварных образцы испытывались на срез и отрыв на испытательной машине марки иТБ-100 фирмы «БИепк». Циклические испытания выполнялись на двухколонной универсальной испытательной машине ШТ-АПООО-Б.

Металлографические исследования сварных соединений до и после испытаний выполнялись с помощью оптического микроскопа ХББ-ЗМЕТ.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате большого числа испытаний сварных точечных соединений сплава 1565чН было установлено, что для толщины листов 2 мм наибольшая величина удельной разрушающей нагрузки обеспечивается при мини-

мальном диаметре ядра равным примерно 5,8-6 мм (рис. 2, а). При циклическом нагружении было отмечено увеличение величины удельной разрушающей нагрузки с ростом минимального диаметра ядра в диапазоне от 4

а б

Рис. 2. Зависимость прочностных характеристик сварных соединений лис-

тов сплава 1565ч при статическом (а) и циклическом (б) растяжениях от величины диаметра ядра: 1 - сплав 1565чН; 2 - сплав 1565чМ

В реальных многоточечных соединениях прочность зависит от шага между точками I, минимальная величина которого ¿тщ выбирается из условия отсутствия заметного эффекта шунтирования сварочного тока. Исследованиями установлено, что величина ¿тщ зависит от dя При уменьшении dя т!п, например на 25-30%, величина ¿тт может быть снижена на 18-20%.

На основании вышеизложенного можно сказать, что при статическом нагружении сварных образцов с уменьшенным dя в среднем на 30% (рис. 2,а), удельную гарантированную прочность соединения удается сохранить на существующем уровне.

Масса соединения определяется массой металла нахлестки одной детали шириной а. Обычно стремятся уменьшить а до значения атп, при котором еще не появляются дефекты соединения - выплеск и уменьшение dя. Причиной этих дефектов является уменьшение жесткости нахлестки со стороны кромки деталей, что приводит, с одной стороны, к раскрытию стыка листов и выплеску, с другой - к повышенной деформации, снижению плотности тока, и следовательно к уменьшению dя.

Экспериментальные исследования зависимости величины а от dя показали, что они связаны прямой пропорцией, причем отношение атП/ dя составляет в среднем 2,8-3,3 (рис. 3).

Результаты проведенных экспериментов показали также, что уменьшение dя на 25-30% приводит к увеличению числа точек в соединении, которые можно выполнить между двумя зачистками рабочей поверхности электродов примерно в 2,6-3 раза.

При этом ? снижается даже в случае увеличения количества точек в шве для компенсации падения прочности, например для сплава 1565чН на 22%. Это снижение объясняется тем, что при уменьшении dя в контакте электрод-

4 5 6 7 dsmin ^M Рис. 3. Зависимость ширины нахлестки а от величины диаметра

литого ядра dfL: 1 - сплава 1565чМ; 2 - сплав 1565чН.

деталь заметно снижаются температура и степень микро- и макропла-стической деформации, которые являются основными факторами процесса загрязнения. При уменьшении dя min на 30% уменьшаются диаметр отпечатка от электродов и зазор между деталями в среднем на 25%.

Основными показателями затрат энергии для контактной сварки является установленная мощность оборудования, которая при прочих равных условиях будет зависеть от силы сварочного тока. При уменьшении dя min снижается необходимая величина сварочного тока, что приводит к уменьшению фактической установленной мощности. Так, уменьшение dя min с 6 до 4 мм при сварке сплава 1565чН мм на машине МТН-75 позволяет снизить мощность сети с 281 до 210 кВА.

Статическую прочность сварных соединений с уменьшенными размерами ядра определяли на образцах из алюминиевого сплава 1565чМ. При уменьшении диаметра ядра отмечалось снижение разрушающих усилий на срез и отрыв.

Проведенный анализ влияния диаметра литого ядра на качество сварных соединений показал, что его уменьшение в ряде случаев улучшает характеристики соединения: трудоемкость, массу, деформацию, затраты энергии. До определенной величины dя min удельную гарантированную прочность удается сохранить на существующем уровне. Этот принцип был использован при выборе оптимальных размеров точечных соединений, кото-

рые образовали дополнительный (к существующему) ряд уменьшенных размеров соединений (табл. 1).

Таблица 1. Минимальные допускаемые размеры точечных соединений _сплава 1565чН, мм_

Толщина детали в соединении Диаметр литого ядра Нахлестка при однорядном шве Минимальный шаг точек для уменьшенного ряда

нормальный ряд уменьшенный ряд нормальный ряд уменьшенный ряд

0,5 2,5 2,0 10 6 8

0,6 3,0 2,2 10 7 9

0,8 3,5 2,5 10 8 10

1,0 4,0 3,0 12 9 12

1,2 5,0 3,5 14 10 14

1,5 6,0 4,0 16 12 16

2,0 7,0 5,0 20 14 20

2,5 8,0 6,0 22 16 23

3,0 9,0 7,0 24 18 25

Примечание. Минимальные размеры нахлесток приведены только для случая прямолинейных швов на деталях, где возможна точная фиксация шва относительно оси электрода.

Типичные данные по статической прочности одноточечных образцов из сплавов 1565чН и 1565чМ приведены в табл. 2.

Таблица 2. Статическая прочность одноточечных образцов из алюминиевого сплава 1565ч (в состояниях Н и М) толщиной 2 мм с нормальными и _уменьшенными точками_

Сплав Вид испытаний Диаметр литого ядра, мм Разрушающая нагрузка, даН

1565чМ Срез 3,5 220

4,0 235

Отрыв 3,5 320

4,0 355

1565чН Срез 3,5 238

4,0 255

Отрыв 3,5 370

4,0 395

Примечание. Приведены средние данные по результатам испытания десяти образцов.

В ряде ранее проведенных работ [1,2] обосновывается положение, что размер литого ядра не влияет на циклическую прочность сварного со-

единения. В настоящей работе была проведена проверка влияния на циклическую прочность сварного соединения.

Рис. 4. Схемы сварных соединений: а - одноточечное нахлесточное сварное; б - стыковое двух деталей, приваренных точками к жесткому элементу

Экспериментальные исследования влияния диаметра литого ядра на циклическую прочность проводили на нахлесточных образцах с одной сварной точкой (рис. 4,а) и на образцах с двумя точками и односторонней накладкой в виде прессованного профиля (рис. 4,б) из алюминиевого сплава 1565чН толщиной 2 мм.

Испытания осуществляли при частоте нагружения 2800 циклов в минуту на базе Ы0 циклов, коэффициент асимметрии г = 0,1. У нахлесточных образцов с одной точкой изменение диаметра литого ядра в широких пределах = 6,2; 5; 4 мм) не привело к заметному изменению циклической прочности сварных соединений (рис. 5).

Рис. 5. Кривые усталости одноточечных нахлесточных соединений из сплава 1565чН: лист толщиной 2 мм с диаметром литого ядра 5 мм (1);

6 мм (2); 4 мм (3)

Разрушающая нагрузка для соединений с различными с dя отличается не более чем на 15%, то есть на величину, находящуюся в возможном поле разброса данных при определении циклической прочности.

У образцов с двумя точками и односторонней накладкой уменьшение диаметра литого ядра с 6,2 до 4 мм привело к значительному снижению циклической прочности сварного соединения (рис. 6). Разрушающая нагрузка на базе Ы0 циклов снизилась с 100 до 60 даН.

10' 10® ю'

Число циклов

Рис. 6. Кривые усталости сварных двухточечных образцов из сплава

1565чН толщиной 2 + 2 мм: 1 - dя = 6 мм (с пастой КСП-1); 2 - dя = 6 мм (без пасты); 3 - dя = 4 мм

Введение клея под нахлестку сварного соединения (клеесварные соединения) позволяет заметно повысить циклическую прочность соединения с уменьшением dя (рис. 7, 8). Например, разрушающая нагрузка на базе Ь10 циклов для клеесварных соединений с dя = 6,2 и 4 мм равна 180 и 150 даН (100 и 60 даН для сварных соединений с такими же dя). Иначе говоря, разрушающая нагрузка при введении клея возросла для соединений с dя = 6,2 в 1,8 раза, а для соединений с dя = 4 мм - в 2,5 раза. Следовательно, эффект от применения клеесварных соединений тем больше, чем меньше величина

dя.

Применение сварных соединений с уменьшенными размерами литого ядра позволит снизить массу конструкций, энергоемкость процесса сварки, повысить фактическую производительность процесса и расширить технологические возможности процесса. Переход к соединениям с уменьшенными размерами dя позволяет снизить величину нахлестки примерно на 20% и, следовательно, - массу соединения. Как показали эксперименты, при уменьшении dя возможность проведения числа сварок без зачистки

электродов увеличивается на 30-60%. Это объясняется тем, что при уменьшении dя, резко снижается степень пластической деформации в контакте электрод-деталь, которая является одним из основных факторов, влияющих на процесс загрязнения электродов.

2500 X £ 2000 го >1 U 1500 N. \ \ \ J 1В | i 11 ! ; I |

• ч S | lisJ

I I H j i |

(3 i 1 iWVV_ ■ 1 ff T1 I i I ]

i I i I t ¡1 Ii ^ i i P i |

Число циклов

Рис. 7. Кривые усталости двухточечных образцов сплава 1565чН

толщиной 2 + 2 мм: 1 - клеесварных (ВК-39) d}L = 6 мм; 2 - клеесварных (ВК-39) dя = 4,2 мм; 3 - сварных с dя = 6 мм; 4 - сварных dя = 4,2 мм

2S00

2400

2000

1600

1200 ■

S00 \

10* ю" 10' Число цик л о в

Рис. 8. Кривые усталости двухточечных образцов «лист + профиль» из сплава 1565чН толщиной 2 + 2 мм: 1 - клеесварных (ВК-1МС), dя = 6 мм; 2 - клеесварных (ВК-39), dя = 6 мм; 3 - клеесварных (ВК-36), dя = 4 мм; 4 - клеесварных (ВК-39), dя = 4 мм, И = 15 мм; 5 - клеесварных (ВК-39), dя = 4 мм, И = 10 мм; 6 - сварных, dя = 6

мм

Благодаря уменьшению d для большинства сварочных машин можно максимально увеличить толщину свариваемых деталей в среднем не менее чем на 1 мм.

В ряде случаев, где применение клеесварных соединений нежелательно или невозможно, для принципиального повышения статической и циклической прочности сварных точечных соединений могут быть предложены конструктивно-технологические схемы оформления соединения, снижающими изгиб соединения при приложении нагрузки.

Список литературы

1. Рязанцев В.И., Золотарев Б.Б. Зависимость циклической прочности соединений, выполненных точечной сваркой от размеров литого ядра // Автоматическая сварка. 1981. № 3. - С. 26-28.

2. Шавырин В.Н., Рязанцев В.И. Клеесварные конструкции. - М.: Машиностроение, 1981. - 168 с.

3. Овчинников В.В., Рязанцев В.И. Технологические основы контактной сварки легких сплавов. - М.: МГИУ, 2006. - 120 с.

4. Латыпова Г.Р., Андреева Л.П., Колтунов А.П. Восстановление шеек коленчатых валов дизельных двигателей плазменной наплавкой порошка ПГ-СР3 + ВК8 / Прогрессивные технологии и: Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-практической конференции (24-25 сентября 2015 года), в 3-х томах, Том 2, Юго-Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга», Курск, 2015, с. 150-153.

5. Andreeva, L.P., Kopaev, B.V., Antonov, A.A. Carbon diffusive redistribution in aus-tenite phase of HAZ of low carbon steel welded joint produced by resistance-spot welding // Svarochnoe Proizvodstvo № 1, 2004, Pages 29-35.

6. Antonov, A.A., Subbotin, Yu.V., Kopaev, B.V., Andreeva, L.P. Procedure for relaxation tests of lap welded joints under step-wise increasing loads // Svarochnoe Proizvodstvo, № 4, 2001, Pages 31-34.

7. Andreeva, L.P., Spear, B.V., Antonov, A.A. Experimental study of stress relaxation in spot-welded joint of sheet steel // Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, Volume 69, № 8, 2003, Pages 43-50.

8. Овчинников В.В. Современные виды сварки. - М.: Издательский центр «Академия». 2012. - 208 с.

АКТИВНЫЙ СИЛОВОЙ ФИЛЬТР С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ

АЛГОРИТМОМ УПРАВЛЕНИЯ Андриянов Алексей Иванович, к.т.н. доцент, Анисимов Андрей Александрович, ассистент Брянский государственный технический университет

В работе рассматривается компьютерное моделирование работы активного силового фильтра с усовершенствованным алгоритмом управления.

Повсеместное использование нелинейных нагрузок, включающих в себя силовое электронное оборудование: вентильные преобразователи и устройства частотного регулирования скорости асинхронных двигателей, насыщающиеся трансформаторы и электродвигатели, мощные электрические